高頻振動電機專用變頻器的研究

蔡澤平 黃俊鵬

【摘?要】隨著我國綜合國力的提升，我國電機的應用技術逐漸趨于完善，其節能效果明顯、調節方便、維護簡單等特性保證了在工礦企業的應用日益廣泛，取代了很多舊式傳動控制方式。煤礦中，變頻器主要應用于提升機、通風系統、排水系統、采煤機、刮板輸送機、皮帶機、架空人車等處，用于設備的軟起動、軟停車及運行過程控制等。隨著井下用電設備功率密度增大、電壓等級上升，額定電壓6kV、10kV的更高壓變頻器也在研發與推廣當中。由于變頻器的主要組成部分整流電路和逆變電路由半導體器件工作在非線性的開關狀態，運行中引起正弦波的畸變，結果導致大量的諧波產生于其供電回路和電機驅動端，對負載及臨近設備產生干擾，帶來了諧波干擾問題。在變頻器得到廣泛應用的同時，這一干擾對井下電網、人員定位、監控系統、電機等周圍設備的影響正受到礦企、安標準入機構、設備廠家等的高度重視。

【關鍵詞】高頻振動;電機;專用變頻器

引言

高頻振動電機需要三相200HZ交流電源，則需要將380V/50Hz三相交流電源先經過整流濾波處理變成直流電源，再經過逆變成380V/200Hz三相交流電源。在逆變過程中，需要調制，調制技術有電壓空間矢量脈寬調制，其中電壓空間矢量脈寬調制在電機控制系統中越來越廣泛的應用，它從電機的角度出發，著眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形磁場，即正弦磁通，逆變過程中通過三相橋臂開關管的不同開關模式產生實際磁通去逼近基準磁通圓，從而達到較高的控制性能，本文主要對高頻振動電機專用變頻器進行分析，詳情如下。

1高壓變頻器的特性

高壓變頻器主要有節能效果顯著、延長設備使用壽命、不斷提高企業自動化運轉水平、減少高壓變頻器對電網的啟動沖擊以及減少電源的功率儲備等諸多優勢。就延長設備使用壽命問題而言，借助高壓變頻器啟動設備，在設備實際啟動和運轉過程中，對電動機的沖擊值較小，能夠降低電動機的絕緣損害。且電動機在具體啟動過程中，運行壓力值與風量值處于更平穩狀態，降低對電動機低負荷狀態時的磨損，延長設備的具體使用時間，降低企業設備的基本維護成本。

2基于電動機動態模型

2.1矢量控制

基于電動機動態模型的高壓變頻器矢量控制策略，主要是借助電動機動態模型的坐標變換為基礎理論依據，根據坐標變換實現電動機電流勵磁分量以及轉矩分量的變化，使交流電機能夠在實踐應用過程中像直流電機一樣單獨控制其勵磁分量和轉矩分量運行過程，從而保證交流電動機在變頻器閉環控制系統中得到媲美于直流電動機的良好性能狀態。但在電動機的動態模型速度控制過程中，相關工作人員必須事先確定電動機轉子磁鏈的具體位置，也就是必須對電動機運轉過程中的磁鏈幅度值及其轉動值進行精確控制，保證電動機實際運轉處于良好工作狀態。然而，電動機的磁鏈一般并不直接檢測，往往是在矢量控制系統中利用電動機參數信息計算出電動機磁鏈位置，具體傾角和具體數據，但該類方法大多與電機運行參數有關，電機運行過程中的參數又會進一步隨著環境、溫度以及電機運轉條件變化在一定范圍內浮動。

2.2無速度傳感器控制

基于電動機動態模型的無速度傳感器控制技術主要是在上述矢量控制方案上，利用電動機的定子邊較容易測得相關電壓、電流值數據信息，推算出電機的整體轉速和磁通量，以此實現對電機轉速的科學控制。通常情況下，利用無速度傳感器控制高壓變頻器調速系統，并不需要對其硬件設備進行進一步檢測，也就直接避免了該控制系統硬件設備檢測所帶來的諸多問題，直接提高了控制系統的可靠性、科學性與精確度，也在一定程度上降低了該控制系統的實際成本。

2.3對拖機組

對拖機組由多個同軸連接的電機組成。由于在測試中，需要對被試樣品進行加載，變頻器最直接的加載設備即為電機，為獲得將被試樣品工作在滿載的工作狀態所需的工作電流，最好根據樣品配置同電壓、同功率的電機作為加載電機。同時，加載電機也需要工作在對應的滿載工作狀態，因此需要為加載電機的機械功率找到消耗途徑。故為加載電機同軸連接一臺同規格、提供反向扭矩的負載電機，作為電能—機械能—電能循環的路徑。兩臺電機對拖，同轉速、扭矩互為反向，通過調節負載電機的扭矩將被試變頻器樣品輸出電流拉至所需的大小因此，被試樣品拖動加載電機形成被試電氣傳動系統，陪試變頻電源拖動負載電機形成陪試PDS，兩套PDS在同一試驗電網下、通過聯軸器進行機械連接，被試PDS工作于用電狀態，陪試PDS工作于發電狀態，構成了一條封閉功率循環路徑，形成交流回流系統，達到前文所述之節能目的，實現測試所需的工作狀態。聯軸器使用膜片聯軸器，具有一定的偏移量承載能力，傳遞扭矩能力強，尤其不需要潤滑維護。聯軸器間設置轉矩轉速傳感器，通過光纖總線連接至服務器和上位機，用于實時上傳電機組的轉矩轉速參數。

2.4電驅動系統噪聲輻射分析方法

針對電驅動系統振動噪聲的評價指標，從NVH激勵源方面來說，驅動電機的徑向電磁力與轉矩脈動以及齒輪傳動系統產生的齒輪傳遞誤差均為電驅動系統振動噪聲的激勵源。但這些NVH激勵源的指標無法很好的直接聯系到電驅動系統輻射噪聲的大小，而噪聲輻射是用于評估電驅動系統NVH性能的關鍵指標之一，因此需要針對電驅動系統進行噪聲輻射仿真分析，以獲取在振動激勵源作用下電驅動系統的輻射噪聲?；陔婒寗酉到y動力學響應，便可進行電驅動系統的輻射噪聲仿真分析。1）聲學有限元法.針對電驅動系統噪聲輻射仿真分析，聲學有限元分析法是指利用有限元將電驅動系統周圍聲傳播的空氣域進行離散化，并根據聲學波動方程進行空氣域中的聲特性求解。2）聲學邊界元法.針對電驅動系統聲場輻射除了有限元方法外，常用的還有邊界元方法，聲學邊界元與聲學有限元的不同之處在于聲學邊界元采用面網格而非有限元法采用的體網格劃分部件。同時聲學邊界元方法可分為直接邊界元和間接邊界元，其不同之處在于直接邊界元法要求網格封閉，而間接邊界元無此要求。此外，直接邊界元可以選擇計算內部聲場或者外部聲場，間接邊界元則可同時計算內聲場和外聲場。

結語

總之，變頻器使用過程中必須結合高壓變頻器基本性質，再探究高壓變頻器重要控制策略的基礎上，根據企業實際工業生產情況，針對性地對高壓變頻器的改造等進行優化，為企業長久的發展和良好經濟價值的取得奠定基礎。

參考文獻：

[1]李永東，曹江濤，邵劍文.異步電機直接轉矩控制系統低速轉矩特性研究及其全數字化控制[J].電氣傳動，1994（06）：2-7+12.

[2]何禮高編著，dsPIC30F電機與電源系列數字信號控制器原理與應用[M]，北京航空航天大學出版社.2007年.

[3]陳堅.交流電機數學模型及調速系統[J].電氣傳動，1989（03）：67.

[4]程善美，付中奇.基于dsPIC30F6010空間矢量PWM的實現[J].電力電子技術，2006（06）：113-114.

（作者單位：河南工學院）